西江引水工程盾构输水隧洞设计
西江引水工程盾构输水隧洞设计
摘要：盾构过流隧洞的输水形式以其全封闭，施工干扰少等特点适应了对环境要求高的工程部位。西江引水工程的盾构隧洞采取了外部盾构片内部钢衬的断面形式，本文介绍了盾构隧洞与相关建筑物的设计，同时分析了应注意的问题。
关键词: 调水工程盾构隧洞输水隧洞设计
前言
随着国民经济的高速发展，发达地区水体污染日趋严重，近年来多个城市发生了严重的水危机，同时随着国家饮用水标准的不断提高，也为那些水源水质本就不断恶化的供水系统敲响了警钟。中国七大流域，除珠江流域和长江流域外，均存在流域性缺水和水体污染。而在上述两个流域存在的问题则主要是局部水体污染。
广州为广东省会，省政治、经济、科技、教育和文化中心。地处广东东南部，毗邻香港和澳门，是华南地区区域性中心城市。总面积7434.4km2，总人口720.62万人，2007年国内生产总值为7050.78亿元。
随着广州国民经济高速增长，城市水环境也不断恶化，近年来广州西村水厂、石门水厂、江村水厂水源表现出富营养化特征，水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类，已不能满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）对水源水质的要求。同时广州将在2010年举行第16届亚运会，届时将对整个城市的供水水质和安全提出更高的要求。若不采取工程措施引进外部清洁水源将难以短期实现净化饮用水水质的目标。
1 工程概况
为解决广州市饮用水水质问题，广州市政府启动了西江引水工程。本工程设计规模350万m3/d（40m3/s）。工程位于广州市与佛山市境内，工程自佛山市三水区西江思贤滘下陈村附近的西江取水，经下陈取水泵站增压后，通过2×DN3600mm管道与内径4800mm的盾构输水隧洞输至鸦岗配水泵站，原水通过鸦岗配水泵站分配提升，通过管道输送至广州市西部的江村水厂（40万m3/d）、石门水厂（80万m3/d）和西村水厂（100万m3/d），并预留了北部新建水厂的接口（100万m3/d）。
西江引水工程取水泵站至配水泵站之间为干线工程，全长约47.8km；配水泵站到3个水厂为支线，全长约24km。干线除盾构隧洞段为单线外，其余分段均为双线管道设计，双线工程采用内径3600mm的钢管或等内径的PCCP管道。
本工程盾构隧洞共3段，分段长度主要根据工期确定，由于为亚运会配套项目，需在2010年10月前正式通水运行，为此，要考虑各方节点因素，保证盾构段的工期。其中盾构一标分两段，每段长度约1.2km，自盾构始发井分别向两侧盾构接收井掘进。盾构二标为一段，自始发井向盾构接收井掘进。由于盾构一标已经涵盖了盾构二标的内容，本文以盾构一标为例介绍本工程中盾构隧洞的应用情况。
本工程的管道设计工作压力为0.6MPa，设计内水压力为0.9MPa，隧洞段的运行条件为内水压力大于外水压力。设计综合考虑施工难度、设计理论成熟度和工期进度，采取了盾构隧洞内衬钢管的形式，并在盾构片内壁设置弹性排水垫层，钢管和盾构片之间回填自密实混凝土。
2 盾构段特点
本工程的供水规模可以采用开挖埋管的输水方式，但由于部分工程区城镇发达，交通枢纽密布，经过铁路，高速公路和立交桥等位置难以实现开挖的方式，上述位置不仅对沉降变形等要求高，而且多数要求不能阻断交通，或者降低铁路运行速度。为此在本工程几个特别段引入的盾构隧洞的输水方式，以尽量减小对地表建筑物的影响，保证本工程的工期要求。
3 盾构机的选用
目前应用的盾构机主要分为土压式（含复合式）和泥水式。盾构机选型应从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑，所选择的机型要能尽量减少辅助施工法并确保施工安全可靠。不同类型的盾构适应的地质范围不同，盾构选型的主要依据是土质条件、岩性，要确保所选择的盾构能适应地质条件，保持开挖面稳定。
土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土碴加压，使土压作用于开挖面使其稳定，主要适用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土和粉砂层等粘稠土壤的施工。在粘性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。盾构向前推进的同时螺旋机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。当含砂量超过某一限度时泥土的塑流性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致碴土难以排送，需向土仓内注水或泡沫、泥浆等，以改善土体的塑流性。从土压式盾构机的工作原理可以判断，这种形式的盾构机很难避免地表不沉降。各种土层处理方式只能减小沉降，但不可能完全避免。
泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水平衡仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥水盾构适用的地质范围较大，能适应本工程的各种土层。
地层渗透系数是盾构选型的重要因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的渗透系数小于10-7cm/s时可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7cm/s和10-4cm/s之间时既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构；当地层的渗透系数大于10-4cm/s时，如采用土压平衡盾构开挖仓中添加剂将被稀释，水、砂、砂砾相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋机出碴门处易发生喷涌，施工困难。根据广州地铁施工经验，若要采用土压盾构机通过上述地层，需要提前对地层进行灌浆等加固处理，不仅影响进度，也增加了施工风险。
本工程位于佛山境内，不仅地层复杂而且各种地层交替变化大，很多地勘资料揭露的管线段仅仅几米地层竟从软土过渡到泥岩；另外本工程的本标段存在透水砂层，渗透系数在渗透系数k＝10-3～10-2cm/s，远远超过土压平衡盾构允许的最大范围，因此宜采用泥水盾构。
本盾构标段需要穿越铁路、高速公路、立交桥。上述建筑物要求地表沉降小于5mm，采用泥水盾构方式可以根据地表变形情况调节泥水压力，控制地表沉降的大小和方向。
4 盾构隧洞设计
4.1 隧洞直径确定
广州市西江引水工程盾构隧洞总共分3段，单段长度仅1.2km，分段长度主要考虑满足工期要求，单段长度过长根据施工组织设计安排不能满足亚运会前完工。确定盾构隧洞直径需要满足经济流速，和施工空间，同时应参考当地采用的机头对应的隧洞直径。由于盾构机的生产需要提前一年确定要求，生产周期需要8~12个月，在已有常用型号生产订货则需要6个月左右。同样盾构管片结构的需要的磨具设计和制造周期也较长，在本工程紧迫的工期要求下，设计采用主流型号的盾构机和管片形式更为合理，并且能减少经济投入，有利于施工报价的降低。
通过经济和施工方案等多方面的比较，设计采用开挖外径6.3m，管片外径6m，管片厚度30cm的盾构机头和管片形式。盾构隧洞衬砌后的管片内径为5.4m，考虑回填混凝土与施工管路等的条件，管片内部30cm做为回填层，回填层的厚度主要考虑布置施工管路要求，回填层内设置钢内衬，内衬按内壁直径4.8m确定。隧洞成型后的过流断面的设计流速约为2.25m/s，在2~3m/s的经济流速范围，符合水力学设计要求。
4.2 盾构片与盾构片防水
盾构衬砌采用单环长度1.5m，分6块，封顶块位于隧洞顶部左右各10度位置，相邻环通过上述方式实现纵缝错缝布置。
盾构片的两种错缝布置见图1和图2，各块的分缝角度见图3和图4。
图1 分块布置一图2 分块布置二
图3 分块弧长与角度一图4 分块弧长与角度二
管片防水采用单道三元乙丙橡胶弹性密封垫防水，接缝内壁采用嵌缝防水，根据拱顶环与拱底环不同位置，在嵌缝防水做法上有所区别，以利施工。其中环缝位置为了调节误差在防水垫和嵌缝防水中间设置了丁腈软木垫。
环缝和纵缝结构布置见图5和图6，嵌缝防水结构见图7和图8，密封垫结构见图9。
4.3 管片接缝螺栓结构
管片接缝连接采用弯螺栓连接，可以尽量减小对管片结构的削弱，同时便于安装。示意图见图10。
图5 环缝止水布置图6 纵缝止水布置
图7 拱顶环（纵）缝嵌缝止水图8 拱底环（纵）缝嵌缝止水
图9 密封垫结构图图10 螺栓连接示意图
4.4 内衬设计
综合考虑使用工况、内衬受力条件、施工难度、施工技术成熟度和工程检修维护的方便，经计算和经济比较本工程隧洞内衬采用20mm厚Q235C钢衬防水，设计为可以独立承担内水压力，并且在外水内渗放空工况下，可以防止局部失稳。在钢衬和盾构片之间设置30cm回填自密实混凝土，保证结构整体刚度，提高内衬防腐性能，减小不均匀沉降对整体结构的影响，考虑到内水外渗的可能在盾构片内壁上部设置了4cm弹性排水垫层，以减小混凝土干缩影响，同时保护盾构片在内水外渗的工况稳定。自密实混凝土选用C20，采用较低标号主要是考虑减少水化热温升，增加结构抗裂性能。结构示意见图11。
图11 内衬结构图
5 盾构井设计
由于本工程的工期紧张，在施工征地阶段也遇到了较大的阻力，致使工期更为短暂，为此本工程在招标后对盾构始发井进行了优化，主要是减小井的埋深，采用加长始发井，双向一次全车始发。同时取消洞门止水与端头加固项目，在盾构井内设置始发节，连续墙出口部位设置玻璃纤维混凝土，盾构机头安装后采用回填粘土止水，通过反力墙推进后直接切割连续墙玻璃纤维混凝土后进入地层。
通过上述优化可以优化工期约60天，优化后的井体长度约为80m。
图12 盾构始发井布置图
6 连接岔管段设计
单管盾构隧洞段与双管连接转换段在盾构接受井内完成，盾构接收井的内尺寸14X28m，井内设置岔管段，下弯段与上弯段。并布置放空与排气装置。见图13和图14。为了便于安装和焊接，岔管段优化了体形，采用厚度26mm的16MnR钢板，并设置了月牙型梁，减小岔管部分厚度。
图13 连接岔管段平面布置图
图14 连接岔管段纵断面图
7结语
近年来国内启动了多个长距离调水工程，包括南水北调工程东线，中线，单个城市供水工程以上海青草沙和广州市西江引水工程规模最大。随着人们对环境要求的提高，对工程本身如何减小对地面建筑物和环境的影响提出了更高要求。本工程盾构隧洞范围有铁路、高速公路、立交枢纽、大型企业，上述设施均要求施工不能影响正常的生产和使用。盾构隧洞具有地表沉降小，对周围建筑物影响小的特点。目前国内在建的工程中高内水压力的盾构隧洞只有南水北调中线穿黄和西江引水工程。其中中线穿黄采取了内衬预应力混凝土结构，西江引水采取了钢内衬的形式。本工程内衬方案确定除了考虑内水压力较高的情况之外，更多的考虑了施工难度和日后维修方便，采用钢内衬不仅施工难度小，施工方便，安全性高，而且便于日后维护。本工程选用盾构隧洞和相应的内衬形式是科学合理的。这些方案为盾构隧洞在国内调水工程中的应用积累了宝贵的工程经验。
参考文献
1. 《水工隧洞设计规范》SL279-2002
2. 《水电站压力钢管设计规范》SL 281-2003
3. 《盾构法隧洞施工与验收规范》GB50446-2008
4. 《铁路隧道施工规范》TB10204-2002
5. 《自密实混凝土技术手册》中国水利水电出版社作者简介
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